Искусственный фотосинтез накормит космических путешественников

Разработан новый способ преобразования солнечного света и углекислого газа в органические вещества: электрический ток от солнечных батарей катализирует превращение CO2 в ацетат с намного более высокой эффективностью, чем естественные системы фотосинтеза. В экспериментах показаны увеличение биомассы пищевых организмов при выращивании на ацетате по сравнению с классическими методами, а также способность культурных растений включать экзогенный ацетат в метаболические пути.

Credit:

Marcus Harland-Dunaway | UCR

Фотосинтез трудно назвать эффективным процессом: растения способны утилизировать только 1% энергии солнечного света, падающего на них. Ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде и Университета Делавэра (США) предлагают полностью отказаться от фотосинтеза живых систем и создавать органическое вещество с помощью искусственного фотосинтеза, для которого даже необязательно использовать солнечный свет.

Исследователи разработали двухэтапный электрокаталитический процесс для преобразования CO2 в ацетат, который может включаться в основные метаболические пути различных организмов. Углекислый газ подается на катод первого электролизера и с помощью серебряного катализатора преобразуется в смесь газов — H2, CO и следовых количеств CO2. Газовая смесь затем подается на катод второго электролизера, и CO восстанавливается до ацетата благодаря медному катализатору. Данная система позволяет преобразовать в ацетат 25% CO2 – это значительное улучшение по сравнению с другими методами, выход ацетата в которых не превышает 1%. Электрическим током систему снабжают солнечные батареи, но можно использовать и другие источники.

Эксперименты показали, что на насыщенном ацетатом элюате второго электролизера можно вырастить самые разнообразные съедобные культуры, включая зеленые водоросли, дрожжи и грибной мицелий с плодовыми телами, причем в полной темноте. Выращивание водорослей данным методом в четыре раза более энергоэффективно, чем на свету, а дрожжей — в 18 раз эффективнее, чем на глюкозе, полученной из кукурузы.

Ученые исследовали потенциал этой технологии для выращивания культурных растений. Семена коровьего гороха, помидоров, табака, риса, рапса и зеленого гороха проращивали на свету в твердом агаре, содержащем меченый 13C ацетат. Анализ метаболитов обнаружил во всех растениях углеводы, аминокислоты и интермедиаты цикла трикарбоновых кислот с меткой 13C. Однако эксперимент с проращиванием семян латука показал, что количества ацетата, которые могли бы значительно повлиять на прирост биомассы, ингибируют рост растений. Поэтому для эффективного применения искусственного фотосинтеза толерантность растений к ацетату должна быть повышена.

Систему можно усовершенствовать за счет достижений в фотовольтаике, электролизе и использования ацетата пищевыми организмами. Двухэтапный электрокатализ способен удовлетворить растущий спрос на продовольствие без расширения сельскохозяйственных угодий. «Наш подход к производству продуктов питания идеально подходит для применения в условиях ограниченного пространства, требующих высокой энергоэффективности, например, в космических полетах», — пишут авторы статьи. Метод уже стал победителем первого этапа конкурса NASA Deep Space Food Challenge.

Источник

Hann, E.C. et al. A hybrid inorganic–biological artificial photosynthesis system for energy-efficient food production. // Nature Food, 2022, 3, 461–471. DOI: 10.1038/s43016-022-00530-x

Добавить в избранное

Вам будет интересно